我国抽水蓄能电站的发展与规划布局

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　　我国抽水蓄能电站的区域规划布局
　　
　　抽水蓄能电站如何布局和规划是一个需要全面和动态研究的问题,其在电网中的合理比重,主要取决于电网负荷水平、负荷特性、电源组成以及电力系统安全稳定运行等。
　　日本是目前抽水蓄能电站发展最快、装机容量最多的国家,其抽水蓄能电站建设规模始终根据电网总体经济最优确定,占装机总容量的比例也一直保持在10%左右。日本学者曾用规划论方法分析,认为抽水蓄能机组在电网中的比例在8%～14%比较合理。
　　国内有专家学者认为,从我国目前的电源构成和布局看,抽水蓄能电站的比重达到5%基本符合我国国情。
　　依据现有能源政策,根据对我国部分电网2020年及2030年电源优化配置分析,不同电网电源最优配置方案中抽水蓄能电站占全网比例见右表。
　　由上表可以看出,仅从电源优化配置方面分析,在我国以火电为主的电网,抽水蓄能电站的合理规模应在电力总装机的6%～10%之间,而水电比重较大的电网,其合理规模应在4%～7%之间。
　　
　　随着经济社会的发展及对供电质量要求的提高,经济发达国家抽水蓄能电站已从主要作为能量存储的工具(调峰填谷)逐步发展成为主要用于电力系统灵活的动态管理工具。随着我国经济社会发展、经济结构调整和人民生活水平的提高,用电侧的要求在不断提高;随着风电、太阳能发电及核电的发展,电源侧的调控更加复杂,因此,电力系统对抽水蓄能电站在电网中所占比重的要求会更高。
　　
　　影响蓄能电站区域规划布局的因素
　　
　　抽水蓄能电站在电网中配置的比例及站址选择的位置需要从以下几个方面考虑:
　　
　　一、电源结构 我国能源资源布局不均衡,全国电网以火电为主,但不同区域电源构成有较大差异,西南水电较丰富,“三北”地区风能资源较好,东南沿海一带核电配置较多。由于能源资源分布与电力需求市场呈逆向分布,电力资源主要集中在经济不甚发达的西部地区,用电负荷主要集中在经济比较发达而能源短缺的东部地区,这样的现实决定了未来我国电力发展必须坚持“一特四大”的发展战略,即:积极发展以特高压电网为骨干网架的坚强电网,促进大水电、大煤电、大核电、大型可再生能源基地的建设。大型核电、水电、太阳能和风电基地的集约化开发,将带来电网调峰和电网运行调控方面的一系列问题,因此,需要根据区域电源结构的不同,配置不同比例的抽水蓄能电站。
　　
　　二、区域经济发展 我国地域广大,各地区、各省(区)电网所在地区经济发达程度不同,由此影响到负荷特性也有较大的差别。从目前我国已建和在建抽水蓄能电站布局分析,蓄能电站主要分布在华南、华中、华北、华东、东北等以火电为主、经济相对发达的地区。这些地区经济发展较快,电力负荷和峰谷差增加迅速,用电高峰时段,在短时间内负荷增加的幅度大,增加速率快,完全依靠火电机组适应这种负荷变化难度较大,也不经济。因此,在这些地区需要建设一定比例的蓄能电站。
　　
　　三、电网安全 随着特高压电网建设和全国联网工程的推进,电力资源优化配置的范围将进一步加大,抽水蓄能电站已不只是在局部电网发挥作用,而是在区域电网及跨区互联电网中发挥互补性整体作用。
　　电网规模越大,保证电网稳定和安全运行就愈重要,一旦出现事故,造成的损失也越大。比如2003年美国、英国、瑞典、丹麦和意大利五个经济发达国家相继出现的大面积停电事故,这些事故说明,除要求加强电网建设即统一调度外,都强调要保证电网有足够的快速启动的备用容量。抽水蓄能电站的快速反应和调频、调相,尤其是黑启动等功能,可以对电网的稳定和安全运行起重要作用。
　　
　　四、国家智能电网建设 国家电网公司2009年上半年提出了建设智能电网的计划。智能电网是以坚强网架为基础,以通信信息平台为支撑,以智能控制为手段,包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节,覆盖所有电压等级,实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合,是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网。通过其建设来实现提高电网大范围优化配置资源能力,实现电力远距离和大规模输送,满足经济快速发展对电力的需求。
　　智能电网的建设目标要求电网本身具有高度的灵活性、适应性、安全性和经济性。这样就需要在电网中配置一定数量能够快速响应的调节和事故备用电源,以应对电源侧(核电、太阳能和风电、水电等)和用电侧(用户的随机用电需求)的不稳定性对电网造成的冲击。
　　
　　抽水蓄能站址选择的影响因素
　　
　　影响抽水蓄能电站站址选择的因素很多,主要包括地理位置、水头、地形地质、环境和水库淹没等方面。
　　
　　一、距离负荷中心的距离 抽水蓄能电站主要的工作任务为削峰填谷、调频、调相等,因此蓄能电站一般多分布在负荷中心或电源中心附近。根据对国内近90座抽水蓄能电站相关资料的统计分析,抽水蓄能电站站址距离负荷中心或电源中心67.9%不超过100km,近93%不超过200km,超过200km的不到7%。从调度、潮流和送出工程等方面来考虑,抽水蓄能电站站址距负荷中心或者电源中心一般不宜超过200km。
　　
　　二、距高比 距高比是指蓄能电站上、下水库水平距离与垂直高度的比值,该比值可大致说明抽水蓄能电站引水建筑物的相对长度。我国抽水蓄能电站的距高比集中分布在2～7之间,占总数的70%。一般来说,距高比越小,电站引水系统长度和投资越小,对电站指标较有利,但是距高比值和电站投资之间关系不是很敏感,如果距高比值太小往往也会对电站布置产生不利影响。
　　
　　三、水头段 我国抽水蓄能电站利用水头主要集中在300m～600m之间,占总数的62.9%。一般来说利用水头越高,相同出力所需的流量就越小,所需上、下水库库容就小,从土建工程量来看,水头越高越有利,但对投资影响不明显。
　　但若水头过高,给机组制造带来一定困难。从目前的蓄能机组制造技术来看,单级蓄能机组水头在700m以下,在制造技术上基本上没有问题。
　　
　　四、主体工程投资 通过对我国已经建成的11座抽水蓄能电站主体工程的统计资料分析,可以得出如下规律:
　　上水库的选择对抽水蓄能电站的经济性影响最大,要优先选择不需要全库盆防渗的上水库。要选择地形条件有利于形成库盆、而不是主要靠筑坝围成上水库。
　　下水库的选择对抽水蓄能电站的经济性有相当影响,应选择含沙量低,不需要筑拦沙坝的下水库;利用已建水库作下水库时要重视综合利用水库

在水量分配(包括经济补偿)及水库调度上的协调。
　　水道系统的选择,关键是看围岩的工程地质条件是否允许采用钢筋混凝土衬砌。对于补水较困难的地区,围岩的渗漏性会影响高压管道衬砌型式的选择。
　　厂房条件只要地质条件满足基本要求,选址时不必过多考虑。但对于地质条件比较复杂,特别是构造比较多的地下厂房,有可能会对电站投资产生一定影响。
　　机电设备投资对抽水蓄能电站的经济性影响不大,但选址时泥沙对水泵水轮机磨蚀的影响,以及上、下水库水位变幅对机组稳定性的影响等因素仍应重视。
　　
　　五、环境影响 抽水蓄能电站的水头较高,上、下水库库容较小,输水系统和厂房一般布置在地下,因此,其对自然环境的影响比常规水电站要小。蓄能电站在施工过程中会对环境问题产生一定的影响,但通过采取相关工程措施,可以避免或减少对环境的影响。蓄能电站建成后,通过对渣场等的治理,一般还可以提升当地的环境质量。如十三陵、天荒坪、广蓄、泰安等抽水蓄能电站的上、下水库均以成为旅游景点,有的渣场已经改建为公园。
　　由于抽水蓄能电站的位置大多靠近负荷中心和大城市,因此,在选点时应高度关注其与周围环境等敏感区域的协调问题,应尽量避开风景名胜区、自然保护区等敏感区域。
　　
　　六、建设征地和移民安置 抽水蓄能电站建设征地与移民和常规水电比相对较少,根据对我国已建和在建的11座抽水蓄能电站的资料统计,电站平均征用耕地0.91亩/MW,移民0.68人/MW,此两项指标均比较小,建设征地和移民安置工作相对易于解决。
　　
　　我国蓄能电站设计和施工技术水平
　　
　　通过近30年来建成的一批抽水蓄能电站的实践,我国抽水蓄能电站的建设在设计和施工等方面积累了丰富的经验,在技术上取得了丰硕的成果。
　　上、下水库全库盆防渗是抽水蓄能电站区别于常规水电站,最有特色的水工建筑物之一。上、下水库型式我国已经成功实践了多种方案,包括全库防渗、局部防渗。全库防渗又包括钢筋混凝土全库防渗,沥青混凝土全库防渗,钢筋混凝土和沥青混凝土组合防渗,钢筋混凝土和土工膜组合防渗等多种型式。有些防渗技术处于世界先进水平。
　　在大型地下洞室的建设上,广州抽水蓄能电站宽21m的大型地下厂房采用喷锚支护,其支护参数在国内外同类工程中是比较先进的。天荒坪蓄能电站地下厂房也是采用喷锚支护,并根据岩石和地质构造条件局部使用了预应力锚索,厂房支护设计和施工也是很成功的。西龙池抽水蓄能电站,利用预应力锚索,解决了在水平底层中开挖大跨度地下厂房的先例。琅琊山成功建成了以III类围岩为主并有大规模IV～V石变岩带的地下厂房。工程实践证明,我国在建设大型地下厂房方面已经有了丰富的成功经验。
　　在岩壁吊车梁设计方面,广蓄电站厂房400吨天车和天荒坪电站厂房500吨天车均采用岩壁吊车梁,利用岩壁锚杆支撑,浇筑钢筋混凝土形成岩壁吊车梁,取代传统的柱式支承吊车梁,既减少厂房宽度,节约投资,又缩短了工期。我国已完全掌握了岩壁吊车梁的设计理论和施工技术。
　　在高压引水洞的衬砌方面,已经成功的实践了钢板衬砌和钢筋混凝土衬砌方案,解决了大型钢岔管的现场制安和混凝土岔管的施工问题。
　　经过几十年的工程实践,我们既有在零下40多度的寒冷地区的建成的工程,也有在高温地区建成的工程;既有在水量充沛地区建成的工程,也有在缺水地区建成的工程;利用水头段从一百多米到七百米。这些成功的经验为我国今后抽水蓄能电站的布局选点和工程建设奠定了坚实的基础。
　　
　　结论与建议
　　
　　一、社会经济的发展需要适当增加蓄能电站的规模
　　随着我国社会经济结构的调整和人民生活水平的提高,用电侧对电网的要求越来越高;随着大容量火电机组和核电机组的投产,太阳能和风电等间歇性可再生能源的高速发展和大规模并网,电源侧的不确定性和随机性对电网的冲击会越来越大;随着跨区域大规模长距离高等级电力输送规划的逐步实施,电网的安全保障问题会越来越突出;智能电网建设的目标又要求电网具有高度的安全性、灵活性、适应性和经济性。抽水蓄能电站的特性注定其将成为解决上述问题的有效手段之一,电网中配置合适比例的抽水蓄能电站是非常必要的。
　　
　　二、国内设计施工技术水平能够保证蓄能电站的建设发展
　　我国抽水蓄能电站建设虽然起步较晚,但以往大规模常规水电建设积累了一定的经验,而近十几年来又引进了国外的先进技术和管理经验,使我国抽水蓄能电站有了较高起点。近30年来抽水蓄能电站的建设实践表明,我国在蓄能电站的设计、施工和运行管理等方面积累了丰富的经验,很多技术在世界上也是领先的,这为我们大规模开展抽水蓄能电站建设奠定了坚实的基础。
　　
　　三、对于抽水蓄能电站的争议在于如何对其建设和运营
　　抽水蓄能电站产生于西方资本主义社会,历时近百年还在蓬勃发展,这本身就说明其具有极强的生命力和在电网中有不可替代的技术经济作用,这一点毋庸质疑。现在国内对抽水蓄能电站还存在争论,争论的焦点不在于其本身的作用,而在于如何建设和运营管理它。这说明我们在整个大系统中如何使用它,如何发挥它的技术和经济作用等方面研究还不够,相关政策还有需要完善的地方,尤其是在经济利益的协调方面还有分歧。因此建议对抽水蓄能电站的建设体制、运行管理模式和电价政策等方面进行研究,为抽水蓄能电站的健康有序发展提供保障。
　　
　　四、建议探讨和研究的问题
　　建议探讨建设“风电+蓄能”、“核电+蓄能”、“火电+蓄能”联合电厂的可行性,以实现能量储存、降低煤耗、节能减排等综合效益。
　　建议研究“电网控股,非电源方参股”的建设体制。
　　建议加快推进抽水蓄能电站在电网中事故备用、调频、调相、黑启动和储能作用等辅助服务的经济补偿机制,研究出台抽水蓄能承担调峰容量及其辅助服务的交易机制,以共同承担电力系统辅助服务责任。

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